大气气溶胶成核分子团簇动力学模型的理论研究

批准号:
21573241
项目类别:
面上项目
资助金额:
70.0 万元
负责人:
黄伟
依托单位:
学科分类:
B0301.化学理论与方法
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
姜帅、黄腾、张杨、吕昱洲、冯亚娟、刘议蓉、陈娇、朱宇鹏、苗守葵
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中文摘要
最新的大气模式模拟结果表明,气溶胶成核可能对全球气溶胶形成的贡献超过50%,然而,气溶胶成核机理的不确定性给全球气候模式模拟带来极大的误差。在研究手段方面,对气溶胶成核分子团簇的量子化学计算,是目前研究气溶胶成核的重要研究手段之一,以此为基础的团簇动力学应用于成核机理研究初见端倪。在研究对象方面,近年来对气溶胶成核机理的阐明在不断推进,其中,挥发性有机物被认为可能参与到气溶胶成核过程中,而其具体化学组分依然未知。另一方面,水分子在成核中的角色也是近些年来研究的热点和争议点之一。本项目拟在全域势能面搜索算法结合高精度量子化学计算的方法的基础上,以水分子和挥发性有机物参与的成核分子团簇为对象,通过建立和完善大气成核分子团簇的动力学模型研究,研究其凝聚、蒸发、裂解和碰并的动力学过程,为后续量子化学数据最终参数化到模式中提供有效手段,从而能有效降低大气模式模拟过程的不确定度。
英文摘要
Recent atmospheric model results indicate that aerosol nucleation could contribute more than 50% of the aerosol formation globally. However, lack of knowledge about the aerosol nucleation mechanism causes large uncertainty of global climate modelling. From the view of research methods, investigating the aerosol molecular clusters through quantum chemistry calculations has been regarded as one of the most promising ways and based on that the application of cluster dynamics on nucleation mechanism just is still on an infant stage. It provides not only supports to the experimental simulation or field observation data, but also guide experimental study and field campaign. Recently, the effort to elucidate the aerosol mechanism has been made in a great extent. And it has been suggested that volatile organic compounds (VOCs) might get involved in the aerosol nucleation processes and the identities of them are still unknown. Besides, the hydration effects have also been debated for years. This project intends to establish and improve cluster dynamics model through water and VOCs involved in molecular clusters based on the global potential energy surface search algorithm and high-level quantum chemistry calculations. The dynamic processes including condensation, evaporation, dissociation and coagulation will also be investigated. This will provide effective methods to finally parameterize quantum chemical data into global atmospheric model to improve its accuracy.
新粒子生成对全球云凝结核的贡献超过一半,此外,新粒子生成在特定条件下有可能形成灰霾,因此新粒子生成具有明显的气候效应和环境效应。新粒子生成包括两个阶段:成核和成核后颗粒物的生长。对新粒子生成机理的认识受限于成核阶段的认识。目前,对大气气溶胶成核机理的认识仍然尚不明确。.本项目开发的团簇动力学能够实现对团簇瞬稳态浓度和形成率的动力学参数的模拟,而且通过耦合高精度量子化学计算得出的热力学数据,能够实现团簇动力学参数的更准确模拟。基于本研究方法,本项目先后对多种成核分子团簇开展了系统性地研究,具体包括酸碱成核(硫酸-二甲胺,乙二酸-氨-水,乙二酸-二甲胺-水,硫酸-甲胺-氨-水等),有机酸参与成核(丙氨酸-硫酸-水),离子参与成核(甲磺酸离子-二甲胺-水)以及氧化有机物参与成核。.研究表明,酸碱成核的成核能力受限于酸性和碱性的强弱,在较强酸碱体系(比如硫酸-二甲胺体系),水分子的作用并不明显,反之,则水分子在形成大尺寸团簇的桥接作用不可忽略。有机酸对成核的促进作用明显,因此在后续开展的多组分成核中,有机酸的作用有待继续开展更深入的研究。.本项目对于大气气溶胶成核领域的发展的意义有两个方面:第一,从技术层面讲,本方法实现了微观层面的分子和团簇属性到宏观层面的成核速率的连接;第二,从科学层面讲,以上所提到的多种成核机理为进一步认识污染地区的复杂成核机理奠定了基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
pi-Hydrogen Bonding of Aromatics on the Surface of Aerosols: Insights from Ab Initio and Molecular Dynamics Simulation
气溶胶表面芳香族化合物的 pi 氢键:从头算和分子动力学模拟的见解
DOI:--
发表时间:2016
期刊:Journal of Physical Chemistry B
影响因子:3.3
作者:Jiang, Shuai;Miao, Shou-Kui;Chen, Jiao;Huang, Wei
通讯作者:Huang, Wei
Hydration of the methanesulfonate-ammonia/amine complex and its atmospheric implications.
甲磺酸盐-氨/胺络合物的水合及其对大气的影响
DOI:10.1039/c7ra12064h
发表时间:2018-01-12
期刊:RSC ADVANCES
影响因子:3.9
作者:Miao, Shou-Kui;Jiang, Shuai;Peng, Xiu-Qiu;Liu, Yi-Rong;Feng, Ya-Juan;Wang, Yan-Bing;Zhao, Feng;Huang, Teng;Huang, Wei
通讯作者:Huang, Wei
Enhancement of Atmospheric Nucleation by Highly Oxygenated Organic Molecules: A Density Functional Theory Study
高含氧有机分子增强大气成核:密度泛函理论研究
DOI:10.1021/acs.jpca.9b03142
发表时间:2019
期刊:Journal of Physical Chemistry A
影响因子:2.9
作者:Zhao Feng;Feng Ya-Juan;Liu Yi-Rong;Jiang Shuai;Huang Teng;Wang Zi-Hang;Xu Cai-Xin;Huang Wei
通讯作者:Huang Wei
DOI:10.1016/j.atmosenv.2019.117005
发表时间:2019
期刊:Atmospheric Environment
影响因子:5
作者:Li Jie;Feng Ya-Juan;Jiang Shuai;Wang Chun-Yu;Han Ya-Juan;Xu Cai-Xin;Wen Hui;Huang Teng;Liu Yi-Rong;Huang Wei
通讯作者:Huang Wei
Synergistic Effect of Ammonia and Methylamine on Nucleation in the Earth's Atmosphere. A Theoretical Study
氨和甲胺对地球大气成核的协同作用。
DOI:10.1021/acs.jpca.8b00681
发表时间:2018
期刊:Journal of Physical Chemistry A
影响因子:2.9
作者:Wang Chun Yu;Jiang Shuai;Liu Yi Rong;Wen Hui;Wang Zhong Quan;Han Ya Juan;Huang Teng;Huang Wei
通讯作者:Huang Wei
质谱与光电子能谱在大气成核机理中的研究与应用
- 批准号:21133008
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:300.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:黄伟
- 依托单位:
中大尺度原子、分子团簇电子和几何结构的理论研究
- 批准号:21073196
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:36.0万元
- 批准年份:2010
- 负责人:黄伟
- 依托单位:
国内基金
海外基金
